交换的江湖

唐伯虎

目录

• 交换的江湖
  
  
  
  • 交换分层
    
  • 交换机的工作原理
    
  • 通信流程
    
  • 案例
    
  
  

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张贺，多年互联网行业工作经验，担任过网络工程师、系统集成工程师、LINUX系统运维工程师
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交换的江湖
交换分层
核心层：core layer
核心层的设计和改造都应该以快速转发和容错为首要目标。因此核心层要选择性能高的设备，并且不要在核心层做任何降低速度的事情，比如ACL、接入PC等，并且应该避免网络随着网络的增大而增大。
汇聚层: aggregate Layer
汇聚层是实现网络策略的地方,路由选择,acl,nat,vlan，路由重分发，防火墙都应该在汇聚层做,不用做的就是其它层的专属功能.
接入层: Access Layer
主要用于接入终端 ，端口安全，延续汇聚层的访问控制和策略,网络分段，接入层的交换机如果端口不够的话不要再向下接入交换机，而是使用堆叠技术，堆叠就是把多个交换机当做一个使用，之间有专门的连接线。
NOTE:3

交换机的工作原理
交换机的行为有三种行为:泛洪(flooding),转发(forward),丢弃(discrad)
有广播包或者或者mac表里面没有目标mac时才会泛洪,两种情况.

如果进入交换机的一个单播帧,就查找mac地址表

• ​ 通过mac地址表比较目标mac地址是不是就是进来的接口对应pc的mac地址,如是就丢弃
  
• ​ 如不是,并且在mac地址找取目标mac对应的接口就转发
  
• ​ 如果在mac地址表查不到就泛洪查找
  

如果是广播帧,不查找mac地址表,直接泛洪
NOTE：

• mac地址表当中不仅有mac和对应的接口,还有vlan
  
• 有多少vlan就有多少mac地址表,因为交换机是从二层来隔离广播的.
  

通信流程

PC-1的IP:192.168.1.1/24
PC-2的IP:192.168.1.2/24
当PC-1 ping PC-2通讯过程详解:

• pc-1会先用自己的掩码与192.168.1.2做与运算得出网络位为192.168.1.0,然后用此网络位与自己的网络位做对比,会得出结论:”192.168.1.2与本地192.168.1.1在同一个网段”.
  
• 既然在同一个网段,那么首先就会查看本地的arp缓存,看看之前有没有与192.168.1.2通讯过,如果有会直接把192.168.1.2的mac地址封装到二层.
  
• 如果arp缓存当中没有就要使用arp广播直接在本网段内询问:”who has 192.168.1.2 tel 192.168.1.1”,由于这是一个广播,在同个广播域的所有设备都可以收到,那么就让我们来看一下每个设备收到这个arp广播的时候有什么反应:
  

首先第一个收到广播的是交换机一,那么交换机一收到这个广播帧会怎样做呢?它会采取两种措施,因为是广播,所以它不会查询自己的mac地址表,会直接泛洪出去,这是第一种反应。另一种反应是在泛洪的同时还会学习，我们之前讲过，交换机是通过源mac地址进行学习的，广播当中的目标mac全是1，源mac地址还是有的，所以交换机会把pc1的mac地址与g0/0/2做一个对应存放到mac地址表。
因为同一个广播域，交换机二也会收到，它收到之后同样也会有两种反应：广播、学习。
pc3和pc4也会收到这个广播信息，由于这个广播人家问的是谁是192.168.1.2？pc3和pc4并不是192.168.1.1要找的机，所以不会响应的，会把这个帧丢弃，但是在丢弃之前会做一次“废物利用”，因为此次广播的携带有pc1的ip地址和mac地址，所以pc3和pc4会学习一下，即把pc的ip地址与其mac地址做一个对应放到自己的arp缓存当中。
pc2收到之后看到广播的目标IP就是找自己的，所以就会构建响应报文，源IP就是自己，目标IP就是192.168.1.1，源mac地址就是自己，而目标mac就是pc-1的mac地址，除了要构建响应报文之外，同样也会学习，把pc1的ip和mac做一个对应放到自己的arp缓存当中。

• 当响应报文从pc-2发出之后，首先到达的还是交换机一，交换机还是会进行学习，把pc-2的mac与G0/0/3做一个对应存放到mac地址表里面。由于交换机一这次收到的是一个单播帧，所以除了会学习之外，重要的是要转发或者泛洪，那么到底是转发还是泛洪呢？这取决于交换机一的mac地址当中有没有目标mac的对应的记录，此次单播的目标mac的pc1，而pc-1的mac在第一次广播的时候就已经被交换机给学习到了，所以交换机的mac地址当中是有pc-1的记录的，所以交换机会直接把此次的单播帧直接转发给G0/0/2接口。
  
• pc1收到pc2的单播帧之后就可以在二层封装好目标mac，在封装之余也会把pc2的ip与其mac地址做一个对应，放到自己的arp缓存当中，以便下次使用。
  

由于这次是单播帧，所以仅仅途中的交换机和目标pc能够收到，其余的网络设备都不会收到。
通信总纲（极度重要，相当于linux启动过程一样重要，真正入门的标志）：

案例

A到B的通信过程：

• A首先判断B是否在同一个网段。用255.255.255.224与192.168.1.129得出B的网络位是192.168.1.128，而主机A自己的网络位是192.168.1.0，判定不在一个网段，所以下一步要查找网关的MAC。
  
• A查看本地ARP缓存，如果没有网关的MAC，发arp广播“who has 192.168.1.1 tel 192.168.1.2”,沿途交换学习并泛洪，非目标主机学习并丢弃数据帧。
  
• 网关收到之后学习并构建单播的响应报文回复A自己的MAC地址。沿途交换机学习并转发。
  
• A主机收到网关的回复的MAC地址后封装在自己的二层链路，网络层的源IP是192.168.1.2，而目标IP是192.168.1.129，交给网关，沿途交换机由于之前学习过了，这次直接转发给网关。
  
• 网关收到拆开此帧，通过目标MAC地址发现就是给自己的，然后接着拆网络层，发现目标IP是给192.168.1.129，网关会通过路由表选择最佳匹配进行转发，发现自己直连的接口就属于该网段，于是通过arp广播直接询问：“who has 192.168.1.129 tel 192.168.1.1”沿途交换机由于之前学习过所以不学习直接泛洪,B主机收到之后会给网关回复自己的MAC地址，交换学习并转发给网关。
  
• 网关收到B主机回复的MAC地址后，对数据重新进行封装，网络层的源IP和目标IP不会变，TTL会减1，链路层源/目标MAC会替换，源MAC替换成网关的MAC，而目标MAC替换成B主机的MAC，FCS会重新计算，然后将此此帧通过其直连接口单播给B主机。
  
• B主机收到之后通过发现此帧就是找自己的，同样的，还是会拿着A主机的IP与自己掩码做与运算，由于网络位是一样的，得出结论“A主机与自己在同一个网段”，直接发arp广播询问”who has 192.168.1.2 tel 192.168.1.129“,A主机收到之后单播回复自己的MAC地址，于是B主机便把A主机的MAC地址封装在二层链路当中单播给A，沿途交换机直接转发给A，于是完成一次通信。
  

总结：

• A主机到B主机要过路由，而B主机到A主机直接通过交换即可，不用过路由。
  
• 到底是否要过路由取决于源主机判定是否与目标主机在同一个网段，在同一个网段通过交换机，不在同一个网段通过路由。